JP2014186905A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ、電極触媒層及びガス拡散層を有する電極を備え、且つ前記電極中の少なくとも一方には、電極触媒層とガス拡散層の間に多孔質層が介在する電解質膜・電極構造体を有する単位セルを複数積層して構成される燃料電池スタックに関する。 The present invention includes an electrode having an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer on each side of a solid polymer electrolyte membrane, and at least one of the electrodes includes a porous layer between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer. The present invention relates to a fuel cell stack configured by laminating a plurality of unit cells each having an electrolyte membrane / electrode structure intervening.
近年、各種の燃料電池が開発されており、例えば、約70〜100℃で動作する固体高分子型燃料電池を車載等の用途で使用することが知られている。この固体高分子型燃料電池は、通常、所望の発電力を得るために、単位セルを所定数だけ積層し、この積層方向両端にエンドプレートが設けられた状態で燃料電池スタックとして使用される。 In recent years, various types of fuel cells have been developed. For example, it is known to use a polymer electrolyte fuel cell that operates at about 70 to 100 ° C. for in-vehicle applications. This polymer electrolyte fuel cell is usually used as a fuel cell stack in which a predetermined number of unit cells are stacked and end plates are provided at both ends in the stacking direction in order to obtain a desired power generation.
このような燃料電池スタックでは、停止状態から始動する場合、例えば、発電反応による自己加熱で暖気を行って、動作温度まで昇温することが行われている。しかしながら、燃料電池スタックの積層方向の両端部に配置される端部単位セルでは、エンドプレート等を介して燃料電池スタックの外部への放熱が起こり易いため、該積層方向の中央部に配置される他の単位セルに比して温度が上昇し難い。結局、この端部単位セルからの放熱によって、燃料電池スタック全体の温度が上昇し難くなり、暖気時間が長くなる場合がある。 In such a fuel cell stack, when starting from a stopped state, for example, warming is performed by self-heating by a power generation reaction, and the temperature is raised to an operating temperature. However, the end unit cells arranged at both ends in the stacking direction of the fuel cell stack are likely to dissipate heat to the outside of the fuel cell stack via the end plate or the like, and thus are arranged at the center in the stacking direction. It is difficult for the temperature to rise compared to other unit cells. Eventually, the heat from the end unit cell makes it difficult for the temperature of the entire fuel cell stack to rise, and the warm-up time may become longer.
すなわち、燃料電池スタックを始動してから良好な発電反応が得られるまでに要する時間が長くなってしまい、燃料電池スタックの始動性能が十分に得られないことが懸念される。特に、燃料電池スタックを車載等で用いる場合は、氷点下の寒冷環境で起動することが想定されるが、この場合、上記のように暖気時間が長くなると、特に昇温し難い端部単位セル内において滞留水が凍結し易く、燃料電池スタックの始動が一層困難になる懸念がある。 That is, there is a concern that the time required for obtaining a good power generation reaction after starting the fuel cell stack becomes long, and the starting performance of the fuel cell stack cannot be sufficiently obtained. In particular, when the fuel cell stack is used in a vehicle or the like, it is assumed that the fuel cell stack starts in a cold environment below freezing point. In this case, if the warm-up time becomes long as described above, it is particularly difficult to raise the temperature inside the end unit cell. In this case, the accumulated water is likely to freeze, and there is a concern that starting of the fuel cell stack becomes more difficult.
そこで、例えば、特許文献1には、燃料電池スタックを始動してから動作温度に達するまでの暖気運転において、端部単位セルの温度上昇を促進することで、燃料電池スタックの低温始動性を高めることが提案されている。具体的には、この燃料電池スタックでは、他の単位セルに比して、端部単位セルの発電時の発熱量を大きくしている。
Therefore, for example, in
特許文献1記載の燃料電池スタックは、上記の通り、燃料電池スタックの端部単位セルの発熱量を増大させることのみに着目したものであり、端部単位セル以外の単位セルの発電性能を向上させることについてはなんら考慮されていない。しかしながら、端部単位セル以外の単位セルにおいて発電反応が良好に生じていなければ、発電反応による燃料電池スタックの加熱が促進されず、暖気時間を十分に短縮することが困難である。また、燃料電池スタックが動作温度に達した後の通常運転においても良好な発電性能が得られない懸念がある。
As described above, the fuel cell stack described in
本発明はこの種の問題を解決するものであり、端部単位セル及びその他の単位セルのそれぞれが適切な特性を備え、このために端部単位セルの昇温時間を短縮し得るとともに、その他の単位セルの発電性能を良好に向上させることが可能であり、その結果、優れた始動性能及び発電性能を示す燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and each of the end unit cell and other unit cells has appropriate characteristics, so that the temperature rise time of the end unit cell can be shortened, and the others An object of the present invention is to provide a fuel cell stack that can improve the power generation performance of each unit cell, and as a result, exhibits excellent starting performance and power generation performance.
前記の目的を達成するために、本発明は、固体高分子膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持するように積層した電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されるセパレータとを有する単位セルを複数個積層して構成される燃料電池スタックであって、
前記アノード電極及び前記カソード電極の各々は、前記電解質膜に臨む電極触媒層と、ガス拡散層とを有し、
前記アノード電極又は前記カソード電極の少なくとも一方は、前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に介在する多孔質層をさらに有し、
前記複数個の単位セルのうち、積層方向の少なくとも一方の端部に配置される端部単位セルは、他の単位セルに比して、前記多孔質層と前記ガス拡散層とを重畳した重畳体の透水圧が大きく、
且つ前記端部単位セルの前記重畳体の透水圧が30.0〜125.0kPaであり、前記他の単位セルの前記重畳体の透水圧が10.0〜125.0kPaであることを特徴とする。
To achieve the above object, the present invention provides an electrolyte membrane / electrode structure in which an electrolyte membrane made of a solid polymer membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, and the electrolyte membrane / electrode structure A fuel cell stack configured by stacking a plurality of unit cells having separators disposed on both sides,
Each of the anode electrode and the cathode electrode has an electrode catalyst layer facing the electrolyte membrane, and a gas diffusion layer,
At least one of the anode electrode or the cathode electrode further has a porous layer interposed between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer,
Of the plurality of unit cells, an end unit cell disposed at at least one end in the stacking direction overlaps the porous layer and the gas diffusion layer in comparison with other unit cells. The water permeability of the body is large,
And the hydraulic pressure of the said superimposition body of the said edge unit cell is 30.0-125.0kPa, The hydraulic pressure of the said superimposition body of the said other unit cell is 10.0-125.0kPa, It is characterized by the above-mentioned. To do.
本発明に係る燃料電池スタックでは、燃料電池スタックを構成する各単位セルの電極触媒層とガス拡散層との間に多孔質層を介在させている。そして、この多孔質層とガス拡散層とを重畳した重畳体の透水圧につき、端部単位セルの方を大きく設定するとともに、端部単位セル及び他の単位セルのそれぞれにおける数値範囲を上記の通りに設定している。これによって、燃料電池スタックを始動してから動作温度に達するまでの暖気運転において、端部単位セルの昇温時間を短縮することができる。また、暖気運転及びその後の通常運転において、他の単位セルの発電反応を良好に促進することができる。 In the fuel cell stack according to the present invention, a porous layer is interposed between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer of each unit cell constituting the fuel cell stack. And about the water permeation pressure of the superposition body which piled up this porous layer and the gas diffusion layer, while setting the end unit cell larger, the numerical range in each of the end unit cell and other unit cells Set in the street. Thereby, in the warm-up operation from when the fuel cell stack is started until the operating temperature is reached, the temperature raising time of the end unit cell can be shortened. In addition, the power generation reaction of other unit cells can be favorably promoted in the warm-up operation and the subsequent normal operation.
具体的には、端部単位セルは、他の単位セルに比して透水圧が大きいことから、電解質膜に対する水や水蒸気の供給が抑制されて電解質膜が比較的乾燥した状態となる。その結果、電解質膜のプロトン伝導性が小さくなり、内部抵抗が上昇して発熱量が増大する。すなわち、暖気運転において、端部単位セルの昇温時間を短縮することができ、結局、単位セル全体の昇温時間を短縮することができる。 Specifically, since the end unit cell has a higher water permeation pressure than other unit cells, the supply of water and water vapor to the electrolyte membrane is suppressed, and the electrolyte membrane becomes relatively dry. As a result, the proton conductivity of the electrolyte membrane is reduced, the internal resistance is increased, and the heat generation amount is increased. That is, in the warm-up operation, the temperature raising time of the end unit cell can be shortened, and eventually the temperature raising time of the entire unit cell can be shortened.
また、他の単位セルは、多孔質層を備えること、及び該多孔質層を備える重畳体の透水圧が上記のように設定されていることによって、発電時に電解質膜を湿潤状態に維持しつつ、余剰の水を効果的に排出することができる。これにより、電解質膜に良好なプロトン伝導性を発現させること、及び反応ガスの拡散性を向上させることが可能となり、他の単位セルにおける発電反応を効果的に促進することができる。これによって、暖気運転における燃料電池スタックの昇温時間を短縮できるとともに、燃料電池スタックが動作温度に達した後の通常運転においても、良好な発電性能を得ることが可能である。 In addition, the other unit cell includes a porous layer, and the hydraulic pressure of the superposed body including the porous layer is set as described above, thereby maintaining the electrolyte membrane in a wet state during power generation. Excess water can be discharged effectively. As a result, it is possible to develop good proton conductivity in the electrolyte membrane and improve the diffusibility of the reaction gas, and the power generation reaction in other unit cells can be effectively promoted. As a result, the temperature raising time of the fuel cell stack in the warm-up operation can be shortened, and good power generation performance can be obtained even in the normal operation after the fuel cell stack reaches the operating temperature.
従って、この燃料電池スタックでは、始動性能及び発電性能の両者を効果的に向上させることができる。 Therefore, in this fuel cell stack, both the starting performance and the power generation performance can be effectively improved.
ここで、燃料電池スタックを構成する単位セルの個数は、特に車載用である場合、典型的には10個以上であり、一層好適には20個以上である。また、端部単位セルとは、燃料電池スタックの積層方向における両側最端(最端部)に配設されるそれぞれ1個の単位セルに限定されるものではない。積層された単位セルの全個数の1〜20%を端部単位セルとすることができる。例えば、積層された単位セルの個数が20個であるとき、最端部から4個目まで(両端部で計8個)の単位セルを端部単位セルとし、残余の12個をその他の単位セルとするようにしてもよい。勿論、両端部それぞれにおける端部単位セルの個数を1〜3個(両端部で合計2〜6個)とすることも可能である。また、端部単位セルは、燃料電池スタックの積層方向における一端部側にのみ配設されてもよい。 Here, the number of unit cells constituting the fuel cell stack is typically 10 or more, and more preferably 20 or more, particularly when the fuel cell stack is for in-vehicle use. Further, the end unit cell is not limited to one unit cell provided at each end (endmost part) on both sides in the stacking direction of the fuel cell stack. 1 to 20% of the total number of stacked unit cells can be an end unit cell. For example, when the number of stacked unit cells is 20, unit cells from the endmost part to the fourth part (total of 8 at both ends) are set as end unit cells, and the remaining 12 units are other units. You may make it be a cell. Of course, the number of end unit cells at each end can be 1 to 3 (2 to 6 at both ends). Further, the end unit cell may be disposed only on one end side in the stacking direction of the fuel cell stack.
上記の燃料電池スタックにおいて、前記端部単位セルは、前記他の単位セルに比して、前記重畳体の水蒸気排出速度が小さく、
且つ前記端部単位セルの前記重畳体の水蒸気排出速度が14.0〜18.0mg/cm2・minであり、前記他の単位セルの前記重畳体の水蒸気排出速度が18.0〜20.0mg/cm2・minであることが好ましい。この場合、端部単位セルの昇温時間の短縮と、他の単位セルの発電反応の促進とを一層効果的に図ることができ、燃料電池スタックの始動性能及び発電性能の両方をより効果的に向上させることができる。
In the above fuel cell stack, the end unit cell has a lower water vapor discharge rate of the superimposed body than the other unit cell,
In addition, the water vapor discharge rate of the superposed body of the end unit cell is 14.0 to 18.0 mg / cm 2 · min, and the water vapor discharge speed of the superposed body of the other unit cell is 18.0 to 20. It is preferably 0 mg / cm 2 · min. In this case, shortening of the temperature rise time of the end unit cell and promotion of power generation reaction of other unit cells can be further effectively achieved, and both the starting performance and power generation performance of the fuel cell stack are more effective. Can be improved.
本発明によれば、多孔質層とガス拡散層とを重畳した重畳体の透水圧について、端部単位セル及び他の単位セルのそれぞれの値を適切に設定することで、暖気運転における端部単位セルの昇温時間を短縮することができるとともに、他の単位セルの発電性能を良好に向上させることができる。その結果、優れた始動性能及び発電性能を示す燃料電池スタックを提供することができる。 According to the present invention, by appropriately setting each value of the end unit cell and the other unit cell for the water permeation pressure of the superposed body in which the porous layer and the gas diffusion layer are superimposed, the end portion in the warm air operation is set. The temperature raising time of the unit cell can be shortened, and the power generation performance of other unit cells can be improved satisfactorily. As a result, a fuel cell stack exhibiting excellent starting performance and power generation performance can be provided.
以下、本発明に係る燃料電池スタックにつき好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a fuel cell stack according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、燃料電池スタック10の斜視説明図であり、図2は、燃料電池スタック10の要部概略縦断面図である。
FIG. 1 is a perspective explanatory view of the
燃料電池スタック10は、複数個の単位セル12が矢印A方向に積層されるとともに、積層方向両端には、ターミナルプレート14、14及び絶縁プレート16、16を介装してエンドプレート18、18が配置される(図2参照)。
In the
また、図1に示すように、燃料電池スタック10の矢印B方向の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸素含有ガス等の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔20、純水やエチレングリコール等の冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔22、水素含有ガス等の燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔24が設けられる。
Also, as shown in FIG. 1, an oxidant gas inlet for supplying an oxidant gas such as an oxygen-containing gas to one end edge of the
また、燃料電池スタック10の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔26、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔30、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔28が設けられる。
In addition, the other end edge of the
エンドプレート18、18は、例えば、複数のタイロッド32により積層方向に締め付けられる。なお、タイロッド32の先端側に配置されるエンドプレート18には、タイロッド32の雄ねじと螺合するねじ孔(図示せず)が形成されている。あるいは、エンドプレート18に、前記ねじ孔に代えて貫通孔を形成し、タイロッド32の先端にナット(図示せず)を螺合してもよい。
The
また、エンドプレート18、18間にプレート(図示せず)を介装して前記エンドプレート18、18間の距離を調整することにより、締め付け荷重を付与してもよい。さらに、エンドプレート18と絶縁プレート16との間に、皿ばね(図示せず)を介装して荷重を加えてもよい。
Further, a clamping load may be applied by adjusting a distance between the
図2に示すように、各単位セル12は、電解質膜・電極構造体34と、アノード側セパレータ36と、カソード側セパレータ38とが、例えば、立位姿勢で積層されて構成される。なお、アノード側セパレータ36及びカソード側セパレータ38としては、例えば、カーボンセパレータが使用されるが、これに代えて金属セパレータを用いてもよい。
As shown in FIG. 2, each
アノード側セパレータ36の電解質膜・電極構造体34に臨む面には、燃料ガス入口連通孔26と、燃料ガス出口連通孔24とに連通する燃料ガス流路40が、水平方向(矢印B方向)に延在して設けられる。
A
同様に、カソード側セパレータ38の電解質膜・電極構造体34に臨む面には、酸化剤ガス入口連通孔20と、酸化剤ガス出口連通孔30とに連通する酸化剤ガス流路42が水平方向に延在して設けられる。
Similarly, an
単位セル12を複数個積層した際にアノード側セパレータ36とカソード側セパレータ38とが互いに対向する面同士の間には、冷却媒体入口連通孔22と、冷却媒体出口連通孔28とに連通する冷却媒体流路44が一体的に形成されている。
Cooling that communicates with the cooling medium
電解質膜・電極構造体34は、固体高分子膜からなる電解質膜46と、該電解質膜46を挟持するアノード電極48及びカソード電極50とを備える。電解質膜46の外形寸法(表面積)は、アノード電極48及びカソード電極50の外形寸法よりも大きく設定される。これによって、アノード電極48及びカソード電極50の一方の電極に供給された反応ガスが電解質膜46を通過して他方の電極に移動することや、電解質膜・電極構造体34からその外部へ反応ガスが漏れること(アウトリーク)を防止できる。
The electrolyte membrane /
電解質膜46は、例えば、陽イオン交換樹脂に属してプロトン伝導性を備えるポリマーを、フィルム状に形成したものを用いることができる。陽イオン交換樹脂としては、例えば、ポリスチレンスルホン酸等のビニル系ポリマーのスルホン化物や、パーフルオロアルキルスルホン酸ポリマー、パーフルオロアルキルカルボン酸ポリマー、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン等の耐熱性高分子にスルホン酸基又はリン酸基を導入したポリマーや、フェニレン連鎖からなる芳香族化合物を重合して得られる剛直ポリフェニレンを主成分として、これにスルホン酸基を導入したポリマー等が挙げられる。
As the
アノード電極48は、第1電極触媒層52と、第1ガス拡散層54と、第1多孔質層56とを有している。一方、カソード電極50は、第2電極触媒層58と、第2ガス拡散層60と、第2多孔質層62とを有している。
The
第1電極触媒層52は、触媒金属を担持した炭素粒子(触媒粒子)を含んで構成されている。炭素粒子としては、カーボンブラックを用いることができるが、この他にも、例えば、黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバーやカーボンナノチューブ等の炭素化合物を採用することができる。一方、触媒金属としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属を単独で又は2種以上組み合わせて使用することができる。
The first
第1電極触媒層52は、電解質膜46に接合して設けられ、外形寸法が該電解質膜46に比して小さく設定される。
The first
第1ガス拡散層54は、例えば、多数の繊維状カーボンがセルロース質に含有されることで構成されたカーボンペーパを基材とする。この基材に、例えば、FEP(テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体)等からなる撥水性樹脂を含有させた構成としてもよい。第1ガス拡散層54の外形寸法は、第1電極触媒層52に比して大きく設定される。
The first
第1多孔質層56は、電子伝導性物質と撥水性樹脂とを含む多孔質性の層であり、該電子伝導性物質に基づいて導電性を示す。この電子伝導性物質の好適な例としては、ファーネスブラック(ケチェン・ブラック・インターナショナル社製「ケチェンブラックEC」及び「ケチェンブラックECP600JD」、Cabot社製「バルカンXC−72」、東海カーボン社製「トーカブラック」、旭カーボン社製「旭AX」等;いずれも商品名)、アセチレンブラック(電気化学工業社製「デンカブラック」等;商品名)、グラッシーカーボンの粉砕品、気相法炭素繊維(昭和電工社製「VGCF」及び「VGCF−H」等;いずれも商品名)、カーボンナノチューブ、及びこれらを黒鉛化処理した粉末を単独又は2種以上混合したものが挙げられる。
The first
一方の撥水性樹脂の素材としては、ETFE(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、PVF(ポリフッ化ビニル)、ECTFE(クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)、FEPをはじめとする結晶性フッ素樹脂や、旭硝子社製の「ルミフロン」及び「サイトップ」(いずれも商品名)等の非晶質フッ素樹脂、及びシリコーン樹脂等が例示され、これらを単独で又は2種以上組み合わせて使用することができる。 One water-repellent resin material is ETFE (tetrafluoroethylene / ethylene copolymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), PVF (polyvinyl fluoride), ECTFE (chlorotrifluoroethylene / ethylene copolymer), PTFE. (Polytetrafluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer), crystalline fluororesins such as FEP, “Lumiflon” and “Cytop” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. ) And the like, and silicone resins and the like can be exemplified, and these can be used alone or in combination of two or more.
第1多孔質層56の外形寸法は、第1ガス拡散層54の外形寸法と略同等に設定され、該第1多孔質層56と第1ガス拡散層54とが重畳されて第1重畳体64が構成されている。
The outer dimension of the first
この第1重畳体64は、最大細孔径や厚み、第1多孔質層56中の電子伝導性物質及び撥水性樹脂の種類や重量比等が適宜調整されることにより、その透水圧及び水蒸気排出速度を設定することができる。具体的な物性値については後述する。
This first
第1電極触媒層52は、上記の通り、電解質膜46及び第1ガス拡散層54に比して外形寸法が小さく設定されている。このため、電解質膜46の外周縁部は、第1電極触媒層52の外周から外部に露呈するが、この露呈部分と、第1ガス拡散層54との間には、第1多孔質層56が介在する。すなわち、第1多孔質層56は、第1電極触媒層52と第1ガス拡散層54との間、及び電解質膜46と第1ガス拡散層54との間に介在する。これによって、第1ガス拡散層54を構成する繊維が、電解質膜46(特に電解質膜46の外周縁部)に突き刺さることを回避できるため、電解質膜46が物理的に変形することを抑制できる。
As described above, the outer dimensions of the first
また、電解質膜46の外周縁部のうち、さらに第1重畳体64の外周から外部に露呈する部分のアノード側セパレータ36に臨む側の面には、額縁形状をなす第1絶縁シート66が当接するように設けられる。
In addition, a frame-shaped first insulating
第1絶縁シート66は、ガス不透過性を有し、例えば、PEN(ポリエチレンナフタレート)製の略平坦なフィルム等で構成される。また、第1絶縁シート66の厚みと第1重畳体64の厚みは略同等であるため、第1絶縁シート66及び第1重畳体64(第1ガス拡散層54)の面同士が面一の状態で、アノード側セパレータ36に当接している。
The first insulating
このように、第1絶縁シート66を設けることによって、アノード電極48とカソード電極50との間で反応ガスが移動して混在してしまうことや、アウトリークが起こることを効果的に回避できる。
Thus, by providing the 1st insulating
カソード電極50における第2電極触媒層58、第2ガス拡散層60、第2多孔質層62、第2重畳体68及び第2絶縁シート70は、上記した第1電極触媒層52、第1ガス拡散層54、第1多孔質層56、第1重畳体64及び第1絶縁シート66と同様に構成されている。このため、カソード電極50の構成についての詳細な説明は省略する。また、以降の説明では、第1電極触媒層52と第2電極触媒層58とを特に区別しないとき、これらを総称して電極触媒層ともいう。第1ガス拡散層54と第2ガス拡散層60とについて同様にガス拡散層、第1多孔質層56と第2多孔質層62とについて同様に多孔質層、第1重畳体64と第2重畳体68とについて同様に重畳体ともいう。
The second
アノード側セパレータ36及びカソード側セパレータ38には、それぞれ、第1ガス拡散層54、第2ガス拡散層60の縁部を囲繞するようにしてシール部材72、72が設けられる。これらシール部材72、72により、アウトリークを有効に防止することができる。
The
次に、上記した電解質膜・電極構造体34を作製する方法について説明する。電解質膜・電極構造体34を作製するに際しては、はじめに、前述した陽イオン交換樹脂に属してプロトン伝導性を備えるポリマーから選択したポリマーを長方形のシート形状として電解質膜46を作製する。
Next, a method for producing the above-described electrolyte membrane /
そして、この電解質膜46の一方の面に第1電極触媒層52を形成し、且つ他方の面に第2電極触媒層58を形成する。具体的には、先ず、前記触媒粒子と、アイオノマー溶液とを混合することにより触媒ペーストを調製する。
Then, the first
次に、この触媒ペーストを、PTFE等から形成したフィルムの一方の面上に所定量塗布する。そして、前記フィルムにおける触媒ペーストを塗布した面を電解質膜46の一方の面に対して熱圧着する。その後、フィルムを剥離すれば、触媒ペーストが電解質膜46の一方の面に転写される。これによって、第1電極触媒層52を形成することができる。また、電解質膜46の他方の面に対しても同様にして前記触媒ペーストを転写することで、第2電極触媒層58を形成することができる。
Next, a predetermined amount of this catalyst paste is applied onto one surface of a film formed from PTFE or the like. Then, the surface of the film to which the catalyst paste is applied is thermocompression bonded to one surface of the
これとは別に、第1ガス拡散層54上に第1多孔質層56を形成して第1重畳体64を得るとともに、第2ガス拡散層60上に第2多孔質層62を形成して第2重畳体68を得る。
Separately, the first
具体的には、例えば、前記電子伝導性物質と、前記撥水性樹脂とを、エタノール、プロパノール、エチレングリコール等の有機溶媒中で混合することにより多孔質層用ペーストを調製する。そして、この多孔質層用ペーストの所定量を、第1ガス拡散層54上に塗布した後、熱処理することで第1多孔質層56を形成する。これによって、第1重畳体64を得ることができる。
Specifically, for example, the porous layer paste is prepared by mixing the electron conductive substance and the water repellent resin in an organic solvent such as ethanol, propanol, or ethylene glycol. And after apply | coating the predetermined amount of this paste for porous layers on the 1st
同様に、前記多孔質層用ペーストの所定量を、第2ガス拡散層60上に塗布した後、熱処理することで第2多孔質層62を形成する。これによって、第2重畳体68を得ることができる。なお、第1重畳体64と第2重畳体68とは、互いに異なるように調整された多孔質層用ペーストから形成されることで、互いに異なる特性を有していてもよい。
Similarly, after applying a predetermined amount of the porous layer paste on the second
ここで、例えば、第1ガス拡散層54及び第2ガス拡散層60上に塗布する多孔質層用ペーストの塗布量や、該多孔質層用ペーストの有機溶媒に対する電子伝導性物質及び撥水性樹脂の濃度(固形分濃度)等を調整することにより、第1重畳体64及び第2重畳体68の透水圧及び水蒸気排出速度等の物性値を調整することができる。さらには、第1重畳体64及び第2重畳体68の上記の物性値を調整するべく、第1ガス拡散層54及び第2ガス拡散層60を構成する基材の物性値や、該基材に含浸させる撥水性樹脂の濃度等を調整してもよい。
Here, for example, the coating amount of the porous layer paste applied on the first
上記の作製方法に代えて、第1多孔質層56及び第2多孔質層62を、シート状成形体として得るようにしてもよい。この場合、有機溶媒に対する電子伝導性物質及び撥水性樹脂の濃度(固形分濃度)が高くなるように前記多孔質層用ペーストを調製した後、溶媒を抽出して延伸処理等を行うことによって、第1多孔質層56及び第2多孔質層62をシート状成形体として形成する。
Instead of the above production method, the first
そして、シート状成形体として得られた第1多孔質層56及び第2多孔質層62を、第1ガス拡散層54、第2ガス拡散層60の各々に重畳する。この状態で、加圧及び加熱(ホットプレス)することにより、第1ガス拡散層54と第1多孔質層56とを熱圧着して第1重畳体64を得ることができ、第2ガス拡散層60と第2多孔質層62とを熱圧着して第2重畳体68を得ることができる。
Then, the first
以上のようにして得られた第1重畳体64及び第2重畳体68を、第1多孔質層56、第2多孔質層62の各々が第1電極触媒層52、第2電極触媒層58に対向するように重畳して熱圧着等により一体化する。これにより、電解質膜・電極構造体34が得られるに至る。
The first
この際、上記した通り、多孔質層が、ガス拡散層と電極触媒層の間、ガス拡散層と電解質膜46との間に介在する。これによって、重畳体に熱圧着による荷重が付加されても、ガス拡散層の繊維が電解質膜46に突き刺さることを回避でき、電解質膜46が物理的に変形することを抑制できる。
At this time, as described above, the porous layer is interposed between the gas diffusion layer and the electrode catalyst layer and between the gas diffusion layer and the
そして、アノード側セパレータ36とカソード側セパレータ38で電解質膜・電極構造体34を挟持することにより、単位セル12が構成される。
The
従って、燃料電池スタック10は、このように構成された単位セル12を例えば20個以上積層し、且つその両端部を上記の通りエンドプレート18、18で挟持して構成される。なお、単位セル12を積層する個数は、燃料電池スタック10によって所望の発電力が得られるように設定することが可能である。すなわち、燃料電池スタック10を、例えば、燃料電池車両に搭載する場合、該車両を駆動するために必要な発電力が得られる個数の単位セル12を積層して、燃料電池スタック10を構成することができる。
Accordingly, the
基本的に以上のように構成される燃料電池スタック10を停止状態から始動させる場合、先ず、発電反応による自己加熱を利用して、該燃料電池スタック10を動作温度(約70〜100℃)まで昇温する暖気運転を行う。燃料電池スタック10が動作温度に達した後は、発電反応によって電力を得る通常運転を行う。
When the
ここで、図2に示すように、複数個の単位セル12のうち、積層方向の両端部に配置される端部単位セル12aは、ターミナルプレート14及び絶縁プレート16を介して、エンドプレート18に接触している。このため、端部単位セル12aは、エンドプレート18を通じて、燃料電池スタック10の外部へ放熱される割合が、前記積層方向の中央部に配置される他の単位セル(中央部単位セル)12bに比して多い。暖気運転において、端部単位セル12aの放熱量が多く昇温し難いと、結局、燃料電池スタック10全体の昇温時間が長引いてしまう。従って、良好な始動性能を得るためには、暖気運転の際に、端部単位セル12aの昇温時間を短縮するとともに、中央部単位セル12bの発電反応を促進する必要がある。
Here, as shown in FIG. 2, among the plurality of
そこで、燃料電池スタック10では、重畳体の透水圧について、端部単位セル12aの値を、中央部単位セル12bの値に比して大きくなるように設定している。具体的には、端部単位セル12aの重畳体の透水圧が30.0〜125.0kPaとなり、中央部単位セル12bの重畳体の透水圧が10.0〜125.0kPaとなるように調整を行っている。これらの透水圧は、例えば、PMI社(Porous Material,Inc)製のパームポロメータを用いて求めることができる。端部単位セル12aの重畳体の透水圧が125.0kPaであるときには、中央部単位セル12bの重畳体の透水圧が125.0kPa未満であることはいうまでもない。
Therefore, in the
また、この燃料電池スタック10では、重畳体の水蒸気排出速度について、端部単位セル12aの値を、中央部単位セル12bの値に比して小さくなるように設定している。具体的には、端部単位セル12aの重畳体の水蒸気排出速度が14.0〜18.0mg/cm2・minとなり、中央部単位セル12bの重畳体の水蒸気排出速度が18.0〜20.0mg/cm2・minとなるように調整を行っている。これらの水蒸気排出速度は、例えば、後述する図4に示す測定装置82を用いて求めることができる。
Further, in the
中央部単位セル12bの水蒸気排出速度が18.0mg/cm2・minであるときには、端部単位セル12aの水蒸気排出速度が18.0mg/cm2・min未満であることが好ましい。
When the water vapor discharge rate of the
なお、本実施形態では第1重畳体64及び第2重畳体68の両方の物性値を上記のように設定したが、第1重畳体64及び第2重畳体68のうち、少なくとも一方の物性値を上記のように設定してもよい。
In the present embodiment, the physical property values of both the first
上記のように、端部単位セル12a及び中央部単位セル12bの物性値をそれぞれ設定することによって、暖気運転における端部単位セル12aの発熱量を適切に増大させて、昇温を促すことができる。さらに、暖気運転及び通常運転において、中央部単位セル12bの発電反応を良好に促進させることが可能になる。すなわち、燃料電池スタック10の始動性能及び発電性能のそれぞれを好適に向上させることができる。以下、この作用効果につき、図1〜図3を参照しつつ、燃料電池スタック10の動作とともに説明する。
As described above, by setting the physical property values of the
燃料電池スタック10を発電させるに際しては、酸化剤ガス入口連通孔20に酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔26に燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔22に冷却媒体が供給される。
When generating power in the
冷却媒体入口連通孔22に供給された冷却媒体は、アノード側セパレータ36及びカソード側セパレータ38間に形成された冷却媒体流路44に導入される。この冷却媒体流路44では、冷却媒体が重力方向(図1中矢印C方向)に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体34の発電面全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔28に排出される。
The cooling medium supplied to the cooling medium
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔20からカソード側セパレータ38の酸化剤ガス流路42に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路42に沿って矢印B方向に流通し、電解質膜・電極構造体34のカソード電極50に沿って移動する。
The oxidant gas is introduced from the oxidant gas
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔26からアノード側セパレータ36の燃料ガス流路40に導入される。この燃料ガス流路40では、燃料ガスが矢印B方向に流通することにより、電解質膜・電極構造体34のアノード電極48に沿って移動する。
On the other hand, the fuel gas is introduced from the fuel gas
従って、電解質膜・電極構造体34では、アノード電極48に供給されて第1ガス拡散層54、第1多孔質層56を通過した燃料ガスと、カソード電極50に供給されて第2ガス拡散層60、第2多孔質層62を通過した酸化剤ガスとが、第1電極触媒層52及び第2電極触媒層58内で電気化学反応(電極反応)によりそれぞれ消費され、発電が行われる。
Therefore, in the electrolyte membrane /
一層詳細には、燃料ガス流路40を介して、アノード電極48に供給された燃料ガスが第1ガス拡散層54及び第1多孔質層56を通過した後、該燃料ガス中の水素ガスが第1電極触媒層52で電離し、プロトン(H+)と電子が生成される。電子は、燃料電池スタック10に電気的に接続された負荷76(図3参照)を付勢するための電気エネルギとして取り出され、一方、プロトンは、電解質膜・電極構造体34を構成する電解質膜46を介してカソード電極50に到達する。なお、プロトンは、電解質膜46に含まれる水を伴って、アノード電極48側からカソード電極50側へ移動する。
More specifically, after the fuel gas supplied to the
カソード電極50の第2電極触媒層58では、前記プロトンと、外部負荷を付勢した後に該カソード電極50に到達した電子と、該カソード電極50に供給されて第2ガス拡散層60及び第2多孔質層62を通過した酸化剤ガス中の酸素ガスとが結合する。この結果、水が生成される。以下、この水を生成水ともいう。
In the second
電解質膜・電極構造体34においては、上記したように電解質膜46と第1ガス拡散層54との間に第1多孔質層56が介在して第1重畳体64を形成し、且つ電解質膜46と第2ガス拡散層60との間に第2多孔質層62が介在して第2重畳体68を形成している。第1多孔質層56及び第2多孔質層62の存在により、上記の電極反応の最中、アノード電極48及びカソード電極50における保水性と排水性との均衡を適切に図ることができる。
In the electrolyte membrane /
すなわち、本実施形態では、端部単位セル12a、中央部単位セル12bにおける重畳体の透水圧及び水蒸気排出速度の値を上記の通り設定している。このため、端部単位セル12aでは、電解質膜46に水蒸気等が供給され難くなり、該電解質膜46が比較的乾燥状態となる結果、該電解質膜46のプロトン伝導性が若干低下する。これに伴って、内部抵抗が上昇することによって、燃料電池スタック10の発電時における発熱量が多くなる。
That is, in the present embodiment, the values of the water permeation pressure and the water vapor discharge rate of the superimposed body in the
一方で、中央部単位セル12bでは、アノード電極48においては燃料ガスに含まれる水蒸気、カソード電極50においては生成水が、第1多孔質層56又は第2多孔質層62を過剰に透過することや、過剰に堰止されることが回避される。従って、電解質膜46を湿潤状態に保つための保水性が十分となり、なお且つ反応ガスを迅速に拡散させるための排水性も十分となる。このため、電解質膜46においてプロトン伝導が容易に進行するとともに、アノード電極48及びカソード電極50においてフラッディングが生じることが回避されて反応ガスが容易に拡散する。すなわち、電解質膜46に良好なプロトン伝導性を発現させることができるとともに、反応ガスの拡散性を向上させて発電反応を促すことができる。
On the other hand, in the
本実施形態に係る燃料電池スタック10は、上記のように発電を行うものであるが、始動性能及び発電性能を一層向上させるため、図3に示す制御システム74の制御の下で発電を行ってもよい。すなわち、制御システム74によって、端部単位セル12aが所定の温度に昇温するまでと、該端部単位セル12aが所定の温度に達した後とで、電流を取り出す単位セル12が切り換えられることが好ましい。
The
具体的には、燃料電池スタック10には、端部単位セル12aを含む全ての単位セル12から電流を取り出すための端子75aと、端部単位セル12aを除いた単位セル12から電流を取り出すための端子75bとが、積層方向の両端側にそれぞれ設けられている。
Specifically, the
制御システム74は、端子75a、75bのいずれか一方を選択して、負荷76と接続する切換スイッチ78と、端部単位セル12aの温度を検出する温度センサ80と、不図示の制御ユニットとを備えている。
The
制御ユニットは、温度センサ80による検出温度が例えば50℃未満である場合、図3に示すように、端子75aと負荷76とが接続されるように切換スイッチ78を制御する。一方で、温度センサ80による検出温度が例えば50℃以上となったときには、図3中に波線で示すように、端子75bと負荷76とが接続されるように切換スイッチ78を制御する。
When the temperature detected by the
従って、燃料電池スタック10を停止状態から始動する場合、端部単位セル12aの温度が50℃になるまでは、中央部単位セル12bと、該中央部単位セル12bに比して発熱量が多い端部単位セル12aとの両方において発電反応を生じさせる。これによって、効果的に燃料電池スタック10を昇温することができる。すなわち、暖気運転における燃料電池スタック10の昇温時間を短縮することができ、始動性能を良好に向上させることができる。
Therefore, when the
そして、端部単位セル12aの温度が50℃に達した後は、端部単位セル12aに比して発電性能が高い中央部単位セル12bから電流を取り出す。これによって、通常運転時の発電性能をより効果的に向上させることができる。
Then, after the temperature of the
なお、本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。 In addition, this invention is not specifically limited to above-described embodiment, A various deformation | transformation is possible in the range which does not deviate from the summary.
例えば、上記の実施形態では、第1多孔質層56及び第2多孔質層62を有する電解質膜・電極構造体34を例示しているが、第1多孔質層56及び第2多孔質層62の双方を設ける必要は特になく、いずれか一方のみを設けるようにしてもよい。特に、電極反応によって水が生成するカソード電極50側の第2多孔質層62を設けることが好ましい。
For example, in the above embodiment, the electrolyte membrane /
また、上記の実施形態では、端部単位セル12aが燃料電池スタック10の積層方向における両側最端(最端部)に配設されるそれぞれ1個の単位セル12から構成されることとしたが、特にこれに限定されるものではない。端部単位セルの個数は、燃料電池スタックを構成する単位セルの全個数の1〜20%の間で任意に設定することが可能である。この場合において、両端部それぞれでの端部セル同士が隣接している(集中配置されている)ことが好ましい。また、端部単位セル12aは、燃料電池スタック10の積層方向における一端部側にのみ配設されてもよい。
Further, in the above embodiment, the
測定試料用の単位セルとして、単位セルA1〜A3、B1〜B3をそれぞれ図4に示す多孔質層の作製条件に基づき、以下の通り作製した。 As unit cells for measurement samples, unit cells A1 to A3 and B1 to B3 were prepared as follows based on the preparation conditions of the porous layer shown in FIG.
[単位セルA1]
(1) ガス拡散層は、嵩密度が0.31g/m2、厚さが190μmのカーボンペーパに、三井・デュポンフロロケミカル社製のテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)の分散液「FEP 120−JRB Dispersion」(商品名)を含浸させ、120℃で30分間乾燥させることで、撥水処理を行った。この際、カーボンペーパは、該カーボンペーパに対するFEPの乾燥重量が、2.4重量%となるように分散液に含浸させた。
[Unit cell A1]
(1) The gas diffusion layer is a dispersion of tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP) manufactured by Mitsui-DuPont Fluorochemical Co., Ltd. on carbon paper having a bulk density of 0.31 g / m 2 and a thickness of 190 μm. The liquid “FEP 120-JRB Dispersion” (trade name) was impregnated and dried at 120 ° C. for 30 minutes to perform a water repellent treatment. At this time, the carbon paper was impregnated in the dispersion so that the dry weight of FEP with respect to the carbon paper was 2.4% by weight.
(2) 多孔質層用ペーストは、昭和電工社製の気相成長カーボン「VGCF」(商品名)を12gと、三井・デュポンフロロケミカル社製のFEP分散液(固形分濃度54%)「FEP120JRB」(商品名)を20gと、エチレングリコールを200gとをボールミルで撹拌して混合することにより調製した。
(2) The porous layer paste includes 12 g of vapor growth carbon “VGCF” (trade name) manufactured by Showa Denko KK, and FEP dispersion (
(3) 前記(1)で作製したガス拡散層上に、前記(2)で調製した多孔質層用ペーストをインクとして、多孔質層の厚みが7.4μmとなるようにスクリーン印刷を行った。そして、380℃で30分間の熱処理を行うことによって多孔質層を形成し、重畳体を得た。 (3) Screen printing was performed on the gas diffusion layer prepared in (1) above using the porous layer paste prepared in (2) as an ink so that the thickness of the porous layer was 7.4 μm. . And the porous layer was formed by performing the heat processing for 30 minutes at 380 degreeC, and the superimposed body was obtained.
(4) 触媒ペーストは、デュポン社製のイオン伝導性ポリマー溶液「DE2020CS」(商品名)に対し、BASF社製の白金触媒「LSA」(商品名)の重量比が0.1となるように添加し、さらに、ボールミルで撹拌して混合することにより調製した。 (4) The catalyst paste is such that the weight ratio of the platinum catalyst “LSA” (trade name) made by BASF is 0.1 with respect to the ion conductive polymer solution “DE2020CS” (trade name) made by DuPont. Further, it was prepared by stirring and mixing with a ball mill.
(5) PTFEシート上に、前記(4)で調製した触媒ペーストを白金の重量が0.4mg/cm2となるように塗布した後、120℃で60分間の熱処理を行うことにより、カソード電極の第1電極触媒層を電解質膜の一方の面に転写するためのシートを作製した。 (5) After applying the catalyst paste prepared in (4) above on a PTFE sheet so that the weight of platinum is 0.4 mg / cm 2 , heat treatment is performed at 120 ° C. for 60 minutes to obtain a cathode electrode A sheet for transferring the first electrode catalyst layer to one surface of the electrolyte membrane was prepared.
(6) PTFEシート上に、前記(4)で調製した触媒ペーストを白金の重量が0.1mg/cm2となるように塗布した以外、前記(5)と同様にして、アノード電極の第2電極触媒層を電解質膜の他方の面に転写するためのシートを作製した。 (6) A second anode electrode was prepared in the same manner as in (5) above except that the catalyst paste prepared in (4) above was applied on a PTFE sheet so that the weight of platinum was 0.1 mg / cm 2. A sheet for transferring the electrode catalyst layer to the other surface of the electrolyte membrane was prepared.
(7) 厚さ24μm、イオン交換容量1.05meq/gとしたフッ素系の電解質膜の一方の面に、前記(5)で作製したシートの触媒ペースト塗布側を、且つ前記電解質膜の他方の面に、前記(6)で作製したシートの触媒ペースト塗布側をそれぞれ熱圧着させた後、PTFEシートを剥離した。すなわち、デカール法により、電解質膜の一方の面に第1電極触媒層を、他方の面に第2電極触媒層をそれぞれ形成した。 (7) The catalyst paste application side of the sheet prepared in (5) above and the other side of the electrolyte membrane on one side of the fluorine-based electrolyte membrane having a thickness of 24 μm and an ion exchange capacity of 1.05 meq / g The PTFE sheet was peeled off after thermocompression bonding the catalyst paste application side of the sheet prepared in (6) to the surface. That is, the first electrode catalyst layer was formed on one surface of the electrolyte membrane and the second electrode catalyst layer was formed on the other surface by the decal method.
(8) 前記(7)で作製した電解質膜に形成された各電極触媒層に、前記(3)で作製したガス拡散層上の多孔質層を120℃で面圧15kgf/cm2の条件で熱圧着させた。以上の方法で、アノード電極及びカソード電極のそれぞれを同様に作製して、電解質膜・電極構造体を得た。 (8) On each electrode catalyst layer formed on the electrolyte membrane prepared in (7) above, the porous layer on the gas diffusion layer prepared in (3) above is 120 ° C. under a surface pressure of 15 kgf / cm 2 . Thermocompression bonding was performed. By the above method, each of the anode electrode and the cathode electrode was produced in the same manner to obtain an electrolyte membrane / electrode structure.
(9) 前記(7)で作製した電解質膜・電極構造体をセパレータで挟持して、単位セルA1を作製した。 (9) Unit cell A1 was produced by sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure produced in (7) above with a separator.
[単位セルA2]
前記(3)の工程に代えて、前記(1)で作製したガス拡散層上に、前記(2)で調製した多孔質層用ペーストをインクとして、多孔質層の厚みが22.3μmとなるようにスクリーン印刷を行った。それ以外は単位セルA1と同様にして、単位セルA2を得た。
[Unit cell A2]
Instead of the step (3), the thickness of the porous layer is 22.3 μm on the gas diffusion layer prepared in (1) above, using the porous layer paste prepared in (2) as an ink. Screen printing was performed. Other than that was carried out similarly to unit cell A1, and obtained unit cell A2.
[単位セルA3]
前記(3)の工程に代えて、前記(1)で作製したガス拡散層上に、前記(2)で調製した多孔質層用ペーストをインクとして、多孔質層の厚みが55.2μmとなるようにスクリーン印刷を行った。それ以外は単位セルA1と同様にして、単位セルA3を得た。
[Unit cell A3]
Instead of the step (3), the thickness of the porous layer is 55.2 μm on the gas diffusion layer prepared in (1) above, using the porous layer paste prepared in (2) as an ink. Screen printing was performed. Other than that was carried out similarly to unit cell A1, and obtained unit cell A3.
[単位セルB1]
前記(3)の工程に代えて、前記(1)で作製したガス拡散層上に、前記(2)で調製した多孔質層用ペーストを、厚みが14.3μmとなるようにブレード塗工器を利用して塗布した。それ以外は単位セルA1と同様にして、単位セルB1を得た。
[Unit cell B1]
Instead of the step (3), the porous layer paste prepared in (2) above is applied onto the gas diffusion layer prepared in (1) so as to have a thickness of 14.3 μm. It applied using. Other than that was carried out similarly to unit cell A1, and obtained unit cell B1.
[単位セルB2]
前記(3)の工程に代えて、前記(1)で作製したガス拡散層上に、前記(2)で調製した多孔質層用ペーストを、厚みが31.4μmとなるようにブレード塗工器を利用して塗布した。それ以外は単位セルA1と同様にして、単位セルB2を得た。
[Unit cell B2]
Instead of the step (3), the porous layer paste prepared in (2) above is applied to the gas diffusion layer prepared in (1) so as to have a thickness of 31.4 μm. It applied using. Other than that was carried out similarly to unit cell A1, and obtained unit cell B2.
[単位セルB3]
前記(3)の工程に代えて、前記(1)で作製したガス拡散層上に、前記(2)で調製した多孔質層用ペーストを、厚みが48.2μmとなるようにブレード塗工器を利用して塗布した。それ以外は単位セルA1と同様にして、単位セルB3を得た。
[Unit cell B3]
Instead of the step (3), the porous layer paste prepared in (2) above is applied onto the gas diffusion layer prepared in (1) so as to have a thickness of 48.2 μm. It applied using. Other than that was carried out similarly to unit cell A1, and obtained unit cell B3.
上記の単位セルA1〜A3、B1〜B3について、アノード電極及びカソード電極のいずれか一方の重畳体の透水圧[kPa]及び水蒸気排出速度[mg/cm2・min]をそれぞれ求めた。その結果を上記の多孔質層の作製条件とともに図4に示す。 With respect to the unit cells A1 to A3 and B1 to B3, the water permeation pressure [kPa] and the water vapor discharge rate [mg / cm 2 · min] of either one of the anode electrode and the cathode electrode were determined. The results are shown in FIG. 4 together with the conditions for producing the porous layer.
重畳体の透水圧の測定は、PMI社(Porous Material,Inc)製のパームポロメータを用いて行った。具体的には、先ず、重畳体を直径1インチの円形状に打ち抜いて測定試料を作製する。この測定試料の多孔質層上に、純水を滴下することによって水膜を形成し、パームポロメータにより、この水膜に対して徐々に空気圧を付加する。そして、純水が測定試料を透過し始めるのに必要な最低圧力を測定することで、重畳体の透水圧が算出される。 The water permeation pressure of the superimposed body was measured using a palm porometer manufactured by PMI (Porous Material, Inc). Specifically, first, the superimposed body is punched into a circular shape having a diameter of 1 inch to produce a measurement sample. On the porous layer of the measurement sample, pure water is dropped to form a water film, and air pressure is gradually applied to the water film by a palm porometer. Then, the water permeation pressure of the superimposed body is calculated by measuring the minimum pressure required for pure water to begin to permeate the measurement sample.
重畳体の水蒸気排出速度は、図5に示す測定装置82を用いて求めた。測定装置82は、乾性空気を供給する空気供給部84と、測定試料86を収容する試料収容容器88と、該試料収容容器88に純水を供給する水供給部90とから構成される。なお、以下の説明では、乾性空気を空気ともいい、純水を水ともいう。
The water vapor discharge speed of the superposed body was obtained using a
空気供給部84は、空気を貯蔵するボンベ92と、該ボンベ92から試料収容容器88にわたって設けられた供給配管94とを有する。この供給配管94にはレギュレータ96と、空気の質量流量を調整するマスフローコントローラ(MFC)98とが介装される。
The
試料収容容器88は、収容槽100と、該収容槽100の開口上端を閉塞する蓋部材102とを有し、この中の収容槽100の底部に給水孔104が形成される。前記水供給部90は、この給水孔104を介して試料収容容器88内に水を供給する。
The
収容槽100には貯留水Wが貯留されるとともに、該貯留水Wの上方にパンチングメタル106、不織布108、測定試料86がこの順で積層される。
The stored water W is stored in the
パンチングメタル106には、複数の貫通孔110が形成されている。また、パンチングメタル106上には、不織布108を介して測定試料86が載置されている。この測定試料86は、重畳体を、1辺が4.2cmの正方形状に打ち抜いて作製されたものである。
A plurality of through
蓋部材102は、収容槽100の開口上端を覆うとともに、測定試料86に接する面に流路部112が形成されている。流路部112は、上記の燃料電池スタック10を構成するアノード側セパレータ36に形成された燃料ガス流路40、又はカソード側セパレータ38に形成された酸化剤ガス流路42を模したものであり、供給配管94、及び排出管114に連通するようにして設けられる。また、蓋部材102は、不図示のヒータ等によって加熱され、温度が70℃に維持されている。
The
水供給部90は、水を貯留し且つ収容槽100の給水孔104と給水管116を介して接続されるタンク118と、タンク118内の水位を検出する水位センサ120と、水位センサ120の検出結果に基づいて、タンク118内の水位を一定に保つべく不図示の純水供給源からタンク118内に水を供給するポンプ122とを備えている。
The
上記のように構成された測定装置82では、先ず、ボンベ92に貯蔵された空気が供給配管94を介して供給される。空気は、レギュレータ96を経由することで圧力調整された後、MFC98によって5L/minの流量に調整され、さらに、不図示のヒータ等によって温度が70℃に調整された後、試料収容容器88の流路部112内に供給される。
In the measuring
このように、流路部112に70℃の空気が供給されるとともに、蓋部材102の温度が70℃に維持されているため、収容槽100内の貯留水Wに熱が伝達される。その結果、貯留水Wが蒸発し、水蒸気が発生する。発生した水蒸気は、パンチングメタル106の貫通孔110を介して上昇し、不織布108によって拡散された後、測定試料86の一方の面に供給される。
As described above, the air at 70 ° C. is supplied to the
水蒸気は、さらに、測定試料86を膜厚方向に沿って透過し、測定試料86の他方の面から排出された後、流路部112に到達する。流路部112に到達した水蒸気は、空気供給部84から供給された空気とともに、排出管114から試料収容容器88の外部へ排出される。
The water vapor further passes through the
この際、貯留水Wが水蒸気として測定試料86の細孔内を透過して外部へと排出されるごとに、水蒸気として失われた分と同量の水が、タンク118から給水管116及び給水孔104を介して、収容槽100内に供給される。この供給に対応し、タンク118内の水位が、測定試料86から水蒸気が排出される速度に応じて降下する。
At this time, each time the stored water W passes through the pores of the
タンク118内の水位が、水位センサ120に予め設定された所定の閾値を下回ると、シーケンス制御が機能し、ポンプ122が付勢される。これによりタンク118内に新たな水が供給される。この際の水の供給量は、測定試料86の水蒸気排出量に応じた量である。従って、前記供給量と、空気の供給を開始してからタンク118への水の供給が開始されるまでの時間とに基づき、測定試料86の水蒸気排出速度が算出される。
When the water level in the
上記のように作製した単位セルA1〜A3からいずれか一種類を端部単位セルとして選択し、且つ単位セルB1〜B3からいずれか一種類を中央部単位セルとして選択する。そして、中央部単位セルとして選択した単位セル8個の両端部に端部単位セルとして選択した単位セルを積層して、すなわち、端部単位セル2個と、中央部単位セル8個との計10個を積層して、実施例1〜4の燃料電池スタックを作製した。また、単位セルA1〜A3、B1〜B3からいずれか一種類を選択し、この選択した単位セル10個を積層して、比較例1〜4の燃料電池スタックを作製した。 One of the unit cells A1 to A3 produced as described above is selected as the end unit cell, and one of the unit cells B1 to B3 is selected as the center unit cell. Then, the unit cells selected as the end unit cells are stacked on both ends of the eight unit cells selected as the center unit cells, that is, the sum of the two end unit cells and the eight unit cell units. Ten fuel cells were stacked to produce fuel cell stacks of Examples 1 to 4. Further, any one of the unit cells A1 to A3 and B1 to B3 was selected, and the selected 10 unit cells were stacked to produce fuel cell stacks of Comparative Examples 1 to 4.
すなわち、実施例1〜4の燃料電池スタックでは、端部単位セルの重畳体の透水圧が中央部単位セルに比して大きく、且つ端部単位セルの重畳体の水蒸気排出速度が中央部単位セルに比して小さくなるように構成されている。また、比較例1〜4の燃料電池スタックでは、端部単位セルと中央部単位セルとが同様の単位セルから構成されている。具体的には、図6に示すように、端部単位セル及び中央部単位セルをそれぞれ選択することで、実施例1〜4及び比較例1〜4の燃料電池スタックを得た。 That is, in the fuel cell stacks of Examples 1 to 4, the hydraulic pressure of the superposed body of the end unit cell is larger than that of the central unit cell, and the water vapor discharge rate of the superposed body of the end unit cell is the central unit. It is configured to be smaller than the cell. Moreover, in the fuel cell stacks of Comparative Examples 1 to 4, the end unit cell and the central unit cell are composed of similar unit cells. Specifically, as shown in FIG. 6, fuel cell stacks of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 were obtained by selecting an end unit cell and a center unit cell, respectively.
これらの実施例1〜4及び比較例1〜4について、端部単位セルが−10℃から0℃まで上昇する昇温所要時間(s)と、始動してから100s後の中央部単位セルの平均電圧(mV)とをそれぞれ求め、図6に示した。 About these Examples 1-4 and Comparative Examples 1-4, the temperature increase required time (s) when an edge part unit cell rises from -10 degreeC to 0 degreeC, and the center part unit cell 100s after starting The average voltage (mV) was obtained and shown in FIG.
図6に示す測定結果を求めた際の燃料電池スタックの運転条件としては、始動開始温度;−10℃、出力電流密度;0.5A/cm2、ガス利用率;燃料ガス70%及び酸化剤ガス50%、燃料ガス及び酸化剤ガスのガス圧;100kPaGとした。
The operating conditions of the fuel cell stack when obtaining the measurement results shown in FIG. 6 are as follows: start temperature: −10 ° C., output current density: 0.5 A / cm 2 , gas utilization rate:
図4及び図6から、実施例1〜4では、比較例1〜4に比して端部単位セルの昇温所要時間が短く、中央部単位セルの平均電圧が大きいことが分かる。実施例1〜4は、端部単位セルの重畳体の透水圧が30.0〜125.0kPa、水蒸気排出速度が14.0〜18.0mg/cm2・minの範囲内であり、中央部単位セルの重畳体の透水圧が10.0〜125.0kPa、水蒸気排出速度が18.0〜20.0mg/cm2・minの範囲内である。すなわち、中央部単位セル及び端部単位セルそれぞれの重畳体の透水圧、水蒸気排出速度を上記の範囲に設定することによって、端部単位セルの昇温時間を短縮することができるとともに、中央部単位セルの平均電圧を大きくすることができた。すなわち、燃料電池スタックの始動性能及び発電性能を良好に向上させることができた。 4 and 6, it can be seen that in Examples 1 to 4, the time required for temperature increase in the end unit cells is shorter than that in Comparative Examples 1 to 4, and the average voltage of the center unit cell is large. In Examples 1 to 4, the water permeability of the superposed body of the end unit cells is in the range of 30.0 to 125.0 kPa, and the water vapor discharge rate is in the range of 14.0 to 18.0 mg / cm 2 · min. The unit cell superposed body has a water permeability of 10.0 to 125.0 kPa and a water vapor discharge rate of 18.0 to 20.0 mg / cm 2 · min. That is, by setting the water permeation pressure and water vapor discharge rate of the superposed body of each of the central unit cell and the end unit cell within the above ranges, the temperature rise time of the end unit cell can be shortened, The average voltage of the unit cell could be increased. That is, the starting performance and power generation performance of the fuel cell stack could be improved satisfactorily.
10…燃料電池スタック 12…単位セル
12a…端部単位セル 12b…中央部単位セル
14…ターミナルプレート 16…絶縁プレート
18…エンドプレート 20…酸化剤ガス入口連通孔
22…冷却媒体入口連通孔 24…燃料ガス出口連通孔
26…燃料ガス入口連通孔 28…冷却媒体出口連通孔
30…酸化剤ガス出口連通孔 32…タイロッド
34…電解質膜・電極構造体 36…アノード側セパレータ
38…カソード側セパレータ 40…燃料ガス流路
42…酸化剤ガス流路 44…冷却媒体流路
46…電解質膜 48…アノード電極
50…カソード電極 52…第1電極触媒層
54…第1ガス拡散層 56…第1多孔質層
58…第2電極触媒層 60…第2ガス拡散層
62…第2多孔質層 64…第1重畳体
66…第1絶縁シート 68…第2重畳体
70…第2絶縁シート 72…シール部材
74…制御システム 82…測定装置
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記アノード電極及び前記カソード電極の各々は、前記電解質膜に臨む電極触媒層と、ガス拡散層とを有し、
前記アノード電極又は前記カソード電極の少なくとも一方は、前記電極触媒層と前記ガス拡散層との間に介在する多孔質層をさらに有し、
前記複数個の単位セルのうち、積層方向の少なくとも一方の端部に配置される端部単位セルは、他の単位セルに比して、前記多孔質層と前記ガス拡散層とを重畳した重畳体の透水圧が大きく、
且つ前記端部単位セルの前記重畳体の透水圧が30.0〜125.0kPaであり、前記他の単位セルの前記重畳体の透水圧が10.0〜125.0kPaであることを特徴とする燃料電池スタック。 A unit cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which an electrolyte membrane made of a solid polymer membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, and separators disposed on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure. A fuel cell stack configured by stacking a plurality of fuel cells,
Each of the anode electrode and the cathode electrode has an electrode catalyst layer facing the electrolyte membrane, and a gas diffusion layer,
At least one of the anode electrode or the cathode electrode further has a porous layer interposed between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer,
Of the plurality of unit cells, an end unit cell disposed at at least one end in the stacking direction overlaps the porous layer and the gas diffusion layer in comparison with other unit cells. The water permeability of the body is large,
And the hydraulic pressure of the said superimposition body of the said edge unit cell is 30.0-125.0kPa, The hydraulic pressure of the said superimposition body of the said other unit cell is 10.0-125.0kPa, It is characterized by the above-mentioned. Fuel cell stack.
且つ前記端部単位セルの前記重畳体の水蒸気排出速度が14.0〜18.0mg/cm2・minであり、前記他の単位セルの前記重畳体の水蒸気排出速度が18.0〜20.0mg/cm2・minであることを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1, wherein the end unit cell has a lower water vapor discharge rate of the superimposed body than the other unit cell,
In addition, the water vapor discharge rate of the superposed body of the end unit cell is 14.0 to 18.0 mg / cm 2 · min, and the water vapor discharge speed of the superposed body of the other unit cell is 18.0 to 20. A fuel cell stack characterized by being 0 mg / cm 2 · min.
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